本文介绍的是上海交通大学生物医学工程学院叶坚教授课题组对表面增强微空间偏移拉曼光谱（micro-scale spatially offset Raman spectroscopy）探头与传统背向拉曼探头在生物组织中穿透性能的比较以及微空间偏移拉曼探头在生物医学领域的应用前景，发表在《Journal of Innovative Optical Health Sciences》期刊2021年。

Optical penetration of surface-enhanced micro-scale spatial offset Raman spectroscopy in turbid gel and biological tissue

表面增强的微尺度空间偏移拉曼光谱在混浊凝胶和生物组织中的光学穿透

Yumin Zhang, Li Lin, Jing He, and Jian Ye

研究背景

基于近红外(NIR)生物窗口的活体生物医学光学成像在医学、生命科学和临床应用领域取得了进展。但是，由于光子在生物组织中的穿透深度较低，深层组织的检测和成像应用仍然受限。因此，临床的深层组织检测常使用基于光纤的内窥镜技术。通过使用内窥镜，光谱信号只需要穿透管壁和/或一层组织即可被检测器检测到、并将信号引导到体外，在临床体内检测应用中显示出巨大的潜力。

微空间偏移拉曼光谱(micro-SORS)是在与激光入射点相隔数百微米的位置收集拉曼信号，可以收集到更多来自深层的拉曼光子。与表面增强拉曼光谱(SERS)技术相结合后，可以进一步增加信号的强度和检测的特异性。micro-SORS光纤内窥镜对于体内无创检测具有巨大优势。然而，结合SERS的micro-SORS在生物组织中的穿透性能研究仍然缺乏。

内容简介

本工作使用带有micro-SORS光纤束探头（直径2.1 mm）和传统手持式探头（直径9.7 mm）的拉曼光谱仪，对近红外波长（NIR）表面增强拉曼信号在经过一定厚度的琼脂糖凝胶和猪肉后的信号强度衰减进行了比较。用非共振（4-硝基苯硫醇，4-NBT）或共振拉曼报告分子（IR-780 iodide, IR-780）修饰的金纳米棒制备了两种拉曼探针。利用传统手持式探头的SERS测量时，两种拉曼探针在琼脂糖凝胶中的穿透深度均超过2 cm，在猪肌肉中的穿透深度均超过3 mm。而使用带有micro-SORS探头的系统时，两种拉曼探针在琼脂糖凝胶中的深度可以提高到4 cm以上，在猪肌肉中的深度可以提高到5 mm。这证明了micro-SORS光纤束在深层组织检测应用中优于传统背向散射拉曼探头，这为micro-SORS技术与SERS结合应用于临床体内无创内窥镜提供了可能性。

图文导读

1.拉曼穿透深度测量示意图

图1.（a）基于（i）micro-SORS光纤束探头和（ii）传统手持式背散射探头的穿透深度测量示意图。micro-SORS探头由七根光纤组成，中心一根（红色）用于激发，另外六根用于信号收集。L代表入射光，R代表拉曼光。（b）micro-SORS探头（左）和手持式探头（右）（i-ii）横截面和（iii）侧视图的照片。

穿透深度的测试如下：通过不断增加介质（琼脂糖凝胶或生物组织）的厚度，直到无法检测到拉曼信号；所能检测到拉曼信号的最大介质厚度定义为穿透深度。从图1（b）可以看到micro-SORS光纤束探头（直径2.1 mm）要比手持式探头（直径9.7 mm）小得多，非常适用于内窥镜检测系统。

2.拉曼探针凝胶的合成

图2.（a）Au NR拉曼探针的合成示意图。（b）（i）Au NRs、（ii）NR@4-NBT、（iii）NR@IR-780以及（iv）FDTD模拟的Au NR的实验消光光谱。所有实验消光光谱都进行了归一化处理。（c）FDTD计算的Au NR电场分布。（d）（i）Au NRs、（ii）NR@4-NBT和（iii）NR@IR-780的TEM图。（e）带有拉曼探针的琼脂糖凝胶制备流程和（f）凝胶照片。

本工作中使用Au NR作为增强基底，因为它们在NIR区域具有高度可调的等离子体共振。SERS和SERRS纳米探针分别通过用非共振拉曼报告分子（4-硝基苯硫醇，4-NBT）和共振报告分子（IR-780 iodide）修饰等离子体Au NR来制备得到。图c表明该Au NR在785 nm入射激光激发下具有相对较强的电磁场增强分布。图e展示了带有拉曼探针的琼脂糖凝胶的制备过程。

3.拉曼纳米探针的检测限

图3.拉曼纳米探针溶胶的检测限。（a, b）NR@4-NBT浓度相关的SERS光谱和（c）由785和532 nm激光激发的拉曼强度（1332 cm^-1波段，由图a和b中的蓝色区域表示）图。（d,e）NR@IR-780浓度相关的SERS光谱和（f）785和532 nm激光激发的拉曼强度（1208 cm^-1波段，由面板d和e中的蓝色区域表示）图。532和785 nm的激光功率分别为45 mW和29.8 mW。

SERS（NR@4-NBT）和SERRS（NR@IR-780）纳米探针溶胶在785 nm激光的激发下表现出明显的特征拉曼光谱，均达到低至2 pM的检测限。

4.琼脂糖凝胶的拉曼穿透深度测量

图4.厚度为（i）0、（ii）0.5、（iii）1、（iv）2、（v）4、（vi）6和（vii）8 cm的琼脂糖凝胶的拉曼穿透深度测量结果。对照组（control）为纯琼脂糖凝胶信号。（a）使用micro-SORS探针收集拉曼光谱的装置以及透过相应厚度的纯琼脂糖凝胶检测到的（b）NR@4-NBT凝胶和（c）NR@IR-780凝胶的拉曼光谱。（d）使用传统手持式探头收集拉曼光谱的装置和（e）透过相应厚度的纯琼脂糖凝胶检测到的NR@4-NBT凝胶和（f）NR@IR-780的拉曼光谱。右侧蓝色直方图均展示了拉曼强度，红色虚线表示检测阈值。

如图4a/b所示，当使用带有micro-SORS探头的785 nm拉曼光谱仪时，NR@4-NBT和NR@IR-780在琼脂糖凝胶上的穿透深度可分别超过4和6 cm。而如图4e/f所示，当使用带有手持式探头的785 nm拉曼光谱仪时，NR@4-NBT和NR@IR-780在琼脂糖凝胶上的穿透深度可分别超过2和4 cm。即对于这两种探针，使用带有micro-SORS探头的拉曼光谱仪测量得到的穿透深度比使用带有手持式探头的拉曼光谱仪测量得到的穿透深度都深。这些结果证实了micro-SORS在厚混浊介质检测上具有优势。

5.猪肌肉的拉曼穿透深度测量

图5.（i）0、（ii）1、（iii）2、（iv）3、（v）4、（vi）5和（vii）6 mm厚的猪肌肉的拉曼穿透深度测量。（a）使用micro-SORS探头收集拉曼光谱的装置以及透过相应厚度的猪肌肉检测到的（b）NR@4-NBT凝胶和（c）NR@IR-780凝胶的拉曼光谱。（d）使用传统手持式探头收集拉曼光谱的装置和透过相应厚度的猪肌肉检测到的（e）NR@4-NBT凝胶和（f）NR@IR-780凝胶的拉曼光谱。右侧蓝色直方图均展示了拉曼强度，红色虚线表示检测阈值。

如图5b和图5c，当使用带有micro-SORS探头的785 nm拉曼光谱仪时，NR@4-NBT和NR@IR-780在猪肌肉上的穿透深度可分别超过5和6 mm。而如图e和图f，当使用带有手持式探头的785 nm拉曼光谱仪时，NR@4-NBT和NR@IR-780在猪肌肉上的穿透深度分别超过3和5 mm。这显示了micro-SORS具有在从深层肌肉组织获得更好拉曼信号的能力。

通讯作者简介

叶坚，上海交通大学生物医学工程学院教授，博士生导师。主要研究方向是（1）等离激元纳米材料的模拟设计、合成制备、光学属性及其生物医学应用；（2）拉曼光谱、表面增强拉曼光谱、缝隙增强拉曼探针及其生物医学应用，聚焦纳米技术与临床医学的交叉。在Nature Communications、Nano Letters、ACS Nano、Biomaterials等国际重要期刊上共发表论文80多篇。2020年度英国皇家化学学会Journal of Materials Chemistry B期刊Emerging Investigators。曾被ACS Nano期刊邀请撰写Perspective文章一篇，被Theranostics邀请撰写综述文章一篇，被Journal of Applied Physics邀请撰写tutorial文章一篇，参与撰写Springer出版的英文专著两章。任Journal of Innovative Optical Health Sciences和Journal of Spectroscopy期刊的编委、长期担任Naturte Communications、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Angewandte Chemie International Edition、Journal of American Chemical Society、Nano Letters、ACS Nano等多个期刊的审稿人。